第5章 第2节 原子核衰变及半衰期（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

第2节　原子核衰变及半衰期 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.了解原子核的衰变，会正确书写衰变方程。 2．知道半衰期及其统计意义。 3．知道放射性同位素及其应用，知道射线的危害及防护。 学会根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。 了解放射性元素在生产和科学领域的应用和防护，更好地服务生活、生产和科学研究。 [对应学生用书P79] 知识点一 原子核的衰变 1.定义：原子核因释放出像α、β这样的射线(粒子流)而转变为新核的变化称为原子核的衰变➊。 2．衰变类型 (1)α衰变➋：放出α粒子的衰变称为α衰变。例如： 92238U→ 90234Th＋24He。 (2)β衰变➌：放出β粒子的衰变称为β衰变。例如： 90234Th→ 91234Pa＋－1__0e＋。 3．在原子核衰变过程中产生的新核，有些处于激发态，这些不稳定的激发态会辐射出光子(γ射线)而变成稳定的状态。 知识点二 衰变的快慢——半衰期 1.放射性元素的原子核➍有半数发生衰变需要的时间称为半衰期。 2．元素半衰期的长短只由原子核自身因素决定，一般与原子核所处的物理、化学状态无关。 3．半衰期描述的是大量原子核发生衰变的统计规律，但对于一个特定的原子核，我们不知道何时发生衰变，只知道它发生衰变的概率。 知识点三 放射性的应用 1.放射性元素半衰期的利用 对于任何含碳物质，只要测定剩余的放射性14C的含量，就可推断其年代。 2．作为示踪原子 如果在某种元素里掺进一些该元素的放射性同位素，用仪器探测它放出的射线，就可查明这种元素的行踪。人们把具有这种用途的放射性同位素称为示踪原子。 3．射线特性的利用 (1)培育新品种：利用γ射线照射种子，可使种子内的遗传物质发生变异，培育出新的优良品种。 (2)放射性同位素电池：把放射性同位素衰变时释放的能量转化成电能。 (3)γ射线探伤：利用γ射线穿透能力强的特点，可探查金属内部有没有缺陷或裂纹。 知识点四 放射性污染➎和防护 1.放射性污染的主要来源 (1)核爆炸；(2)核泄漏；(3)医疗照射。 2．防止放射线伤害的措施 (1)使用的放射源必须装在铅制容器中。 (2)核工业废料要放在厚厚的重金属箱内，深埋于地下或深海。 (3)在放射源与人体之间加屏蔽物。 1．原子核的衰变有α衰变、β衰变和γ衰变三种形式。(×) 2．在衰变过程中，电荷数、质量数守恒。(√) 3．利用放射性同位素放出的γ射线可以给金属探伤。(√) 4．医疗照射是利用放射性，对人和环境没有影响。(×) 批注➊：任何一种放射性元素只有一种放射性，不能同时既有α放射性又有β放射性；当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射。 另外，衰变是自发进行，核反应是其他粒子的轰击产生。 批注➋：α衰变 批注➌：β衰变 批注➍：原子核的个数、原子核的衰变是随机的、无法预测的。 批注➎：核污染事例 [对应学生用书P81] 探究点一　原子核衰变　(物理观念之形成) ◆要点归纳 1．对原子核衰变的理解 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 A ZX→Z-2 A-4Y＋4 2He A ZX→A Z＋1　Y＋0 －1e 衰变实质 2个质子和2个中子结合成氦核21 1H＋21 0n→4 2He 1个中子转化为1个质子和1个电子1 0n→1 1H＋0 －1e 典型方程 238 92U→ 234 90Th＋4 2He 234 90Th→ 234 91Pa＋0 －1e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 2.衰变次数的判断技巧 (1)方法：设放射性元素A ZX经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素A′ Z′Y， 则衰变方程为：A ZX→A′ Z′Y＋n4 2He＋m0 －1e 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程： A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m。 (2)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因为β衰变的次数多少对质量数没有影响)，然后根据衰变规律确定β衰变的次数。 3．衰变方程的书写 (1)衰变方程用“→”，而不用“＝”表示，因为衰变核反应过程一般是不可逆的。 (2)核反应的生成物一定要以实验为基础，书写核反应方程时不能凭空只依据两个守恒而杜撰出不符合实际的生成物来。 ◆对点例练 (多选)烟雾探测器使用了一种半衰期为432年的放射性元素241 95Am来探测烟雾， 241 95Am发生衰变反应后变成237 93Np。当正常空气分子穿过探测器时， 241 95Am释放的射线将它们电离，从而产生电流。烟尘一旦进入探测腔内，烟尘中的微粒会干扰电离产生的带电粒子的正常运动，导致电流减小，从而触发警报。则下列说法正确的是(　　) A． 241 95Am发出的是α射线 B． 241 95Am发出的是β射线 C． 241 95Am发出的是γ射线 D．释放的射线将空气电离说明该粒子电离作用较强 AD　解析：241 95Am会释放出射线将正常空气电离，从而产生电流，而三种射线中，只有α射线能使空气电离，所以 241 95Am发出的是α射线，A正确，B、C错误；该粒子能使空气电离，电离作用较强，D正确。 (2022·河南高二期末)嫦娥五号是中国首个实施无人月面取样返回的月球探测器，2020年12月17日凌晨，嫦娥五号返回器携带月球样品着陆地球，实现了中国航天历史上的新突破。嫦娥五号中有一块“核电池”，在月夜期间提供电能的同时还能提供一定能量用于舱内温度控制，“核电池”利用了238 94Pu 的衰变，衰变方程为238 94Pu→238 mX＋n 2Y，下列说法正确的是(　　) A．238 94Pu发生的是α衰变，α射线具有极强的穿透能力，可用于金属探伤 B．衰变后产生新核的中子数比 238 94Pu的中子数少2 C．238 94u在月球上衰变得比地球上快些 D．2 g的 238 94Pu核经过三个半衰期后，还剩余0.5 g没有衰变 B　解析： 238 94Pu发生的是α衰变，但α射线具有极强的电离本领而不是穿透能力，A错误；衰变后产生新核的中子数为142，比 238 94Pu的中子数少2，B正确；元素半衰期不会随着地理位置的变化而发生变化，其半衰期由原子核内部自身的因素决定，C错误；根据半衰期的定义可知，2 g的 238 94Pu核经过三个半衰期后，还剩余0.25 g没有发生衰变，D错误。 分析衰变次数的解题步骤 (1)先根据已知条件，表示出初、末原子核的符号。如A ZX、A′ Z′Y等。 (2)根据衰变规律，写出核反应方程，衰变次数用未知数表示。 如：A ZX→A′ Z′Y＋m4 2He＋n0 －1　e。 (3)根据核反应方程遵循的规律列方程求解未知数。 根据反应式得： A＝A′＋4m Z＝Z′＋2m－n [练1] (2022·陕西西安鄠邑第二中学高二期末)下列有关放射性元素衰变的说法，正确的是(　　) A．α衰变方程 210 84Po→A 82X＋4 2He中，X的中子个数为124 B．14 7N＋4 2He→17 8O＋1 1H是β衰变 C．温度越高，分子的无规则运动越剧烈，放射性元素衰变得越快 D．γ射线与β射线是电磁波，γ射线的穿透本领比β射线强 A　解析：根据质量数守恒可知，α衰变方程 210 84Po→A 82X＋4 2He中，X的质量数为210－4＝206，则中子个数为206－82＝124，故A正确；14 7N＋4 2He→17 8O＋1 1H是人工核反应方程，故B错误；温度越高，分子的无规则运动越剧烈，但放射性元素衰变得快慢与温度无关，故C错误；γ射线是电磁波，β射线是高速电子流，γ射线的穿透本领比β射线强，故D错误。 探究点二　半衰期　(相互作用观念之形成) ◆情境探究 华夏作为古老文明之一，是历史长河中一颗闪耀的明珠。到目前为止，相继发现了许多属于旧石器时代的原始人化石，包括猿人、智人以及现代人，还有大量集科学性与观赏性于一体的鱼类、鸟类、昆虫类等珍贵史前生物化石，如图所示。 请问：考古学家是如何判断化石的年代的。 答案：利用放射性元素碳14的半衰期可以估算出古化石的年代。 ◆探究归纳 半衰期 定义 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 衰变规律 N余＝N原()，m余＝m原()式中N原、m原分别表示衰变前的原子核数和质量，N余、m余分别表示衰变后的尚未发生衰变的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期 影响因素 由原子核内部因素决定，跟原子所处的外部条件、化学状态无关 半衰期规律是对大量原子核衰变行为作出的统计结果，可以对大量原子核衰变行为进行预测，而单个特定原子核的衰变行为不可预测 ◆对点例练 (2022·黑龙江哈尔滨高二期中)自然界中的碳主要是碳12，也有少量的碳14。碳14具有放射性，能够自发地进行β衰变，半衰期约为5 730年。关于放射性元素的衰变，下列说法正确的是(　　) A．上述核反应方程为12 6C→ 14 7N＋0 －1e B．β衰变的实质在于14 6C核内质子向中子的转化 C.半衰期为放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 D．升高温度可以加快 14 6C的衰变 C　解析：选项A中的核反应方程质量数不守恒，故A错误；β衰变的过程中，原子核内中子转化为质子，同时释放一个电子，故B错误；半衰期为统计学规律，指的是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，故C正确；外界温度不会影响14 6C的衰变，故D错误。 应用半衰期公式m＝M()，n＝N()的两点注意 (1)明确半衰期公式中m、M的含义及二者的关系；n、N的含义及二者的关系。 (2)明确发生衰变的原子核与新产生的原子核质量之间的比例关系，每衰变一个原子核，就会产生一个新核，它们之间的质量之比等于各自原子核的质量之比。 [练2] (2022·江苏苏州高二期末)某放射性元素经过6天后，只剩下没有衰变，为了估算某水库的库容，将一瓶无毒的该放射性元素的水溶液倒入水库，倒入之前，测得瓶内溶液每分钟衰变8×107次，8天后在水库中取水样2.0 m3(可以认为溶液已均匀分布于水库)，测得水样中每分钟衰变20次。则估算出该水库中水的体积是(　　) A．2.5×105 m3 B．2.5×1015 m3 C．5.0×105 m3 D．5.0×1015 m3 C　解析：根据半衰期的概念有m＝m0()n，又m＝m0，解得n＝3，所以6天是3个半衰期，即此放射性元素的半衰期为T＝2天，经过8天，也就是经过4个半衰期，没有衰变的还剩下()4＝，设水库中的水的体积为V，原来含有该放射性元素的水溶液的质量为m，则有＝，解得V＝5.0×105 m3。 探究点三　放射性的应用与防护　(科学思维之提升) ◆要点归纳 1．放射性同位素的主要应用 (1)利用它的射线 ①工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性。 ②农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等。 ③医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症。 (2)作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置。 2．放射性污染和防护 污染与防护 举例与措施 说明 污染 核爆炸 核爆炸的最初几秒钟辐射出来的主要是强烈的γ射线和中子流，这些射线具有很强的穿透力，对生物具有很强的杀伤力，长期存在放射性污染 核泄漏 核工业生产和核科学研究中使用的放射性原材料，一旦泄漏就会造成严重污染 医疗 照射 医疗中如果放射线的剂量过大，也会导致病人受到损害，甚至造成病人死亡 防护 密封 防护 把放射源密封在特殊的包壳里，或者用特殊方法覆盖，以防止射线泄漏 距离 防护 距放射源越远，人体吸收放射线的剂量就越少，受到的危害就越轻 防护 时间 防护 尽量减少受辐射的时间 屏蔽 防护 在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用，铅的屏蔽作用最好 ◆对点例练 (2022·广东蛇口育才中学模拟预测)人工放射性在农业育种、考古断代、医学检测等等经济生活中有非常广泛的应用，下列关于核衰变说法正确的是(　　) A． 131 53I的半衰期约为8天，随着储存方式的改变，半衰期可能会变短 B．某原子核经过m次α衰变和n次β衰变后，核内中子数减少2m＋n C．20个放射性元素的原子核经过一个半衰期后，一定有10个原子核发生衰变 D．半衰期就是原子核全部衰变所需要时间的一半 B　解析：半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，它由核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，并且半衰期是针对大量原子核的统计规律，对于极少量的原子核并不适用，故A、C、D错误；原子核经过1次α衰变，中子数减少2，经过1次β衰变，中子数减少1，所以某原子核经过m次α衰变和n次β衰变后，核内中子数减少2m＋n，故B正确。 [练3] (2021·安徽芜湖市高三期末)天然放射性元素的应用范围，已经从早期的医学和钟表工业扩大到核动力工业和航天工业等多个领域。下列有关放射性元素的说法中正确的是(　　) A．放射性元素衰变的快慢与温度有关，温度越高衰变越快 B．铀238核发生一次α衰变时，生成的新核与原来的原子核相比，核子数减少了4个 C．α、β、γ三种射线中，α射线穿透能力最强，γ射线电离能力最强 D．β衰变的实质在于原子核内的质子转化为一个中子和一个电子 B　解析：放射性元素衰变的快慢与外界条件无关，A错误；铀238核发生一次α衰变时，生成的新核与原来的原子核相比，质量数减少4，电荷数减少2，即质子数减少2，中子数减少2，核子数减少了4个，B正确；α、β、γ三种射线中，α射线电离能力最强，γ射线穿透能力最强，C错误；β衰变的实质在于原子核内的中子转化为一个质子时放出一个电子，D错误。探究点四　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练4] (科技情境)(2021·广东高三联合质量测评)我国甘肃省武威市某新型核电装置正要试验以钍元素为燃料的第四代核能发电方式。该装置中的钍232(232 90Th)吸收某种粒子X后转变成钍233( 233 90Th)，然后衰变为铀233(233 92U)，其衰变方程为 233 90Th―→ 233 92U＋2Y。下列说法正确的是(　　) A．X为质子 B．Y为中子 C．该衰变为β衰变 D．升高温度，增大压强可以加快钍233(233 90Th)的衰变速度 C　解析：根据核反应遵循质量数和电荷数守恒的原则，可知钍232( 232 90Th)转变成钍233 (233 93Th)经历的核反应方程为 232 90Th＋1 0n→ 232 90Th，所以X为中子，A错误；同理，可得衰变方程为 233 90Th→ 233 92U＋20 －1e，Y为电子，为β衰变，B错误，C正确；半衰期与温度、压强以及化学状态均无关，D错误。 [练5] (科技情境)用于治疗肿瘤的放射源必须满足以下两个条件：①放射线具有较强的穿透力，以辐射到体内的肿瘤处；②要在较长时间内具有相对稳定的辐射强度，根据以上条件，表中给出的四种放射性元素，适合用于治疗肿瘤的是(　　) 同位素 钋210 锝99 钴60 锶90 辐射线 α γ γ β 半衰期 138天 6小时 5年 28年 A．钋210 B．锝99 C．钴60 D．锶90 C　解析：钋释放α射线，穿透力弱，极易电离，A错误；锝释放γ射线，射线具有较强的穿透力，但锝的半衰期太短，不能在较长时间内有相对稳定的辐射强度，B错误；钴释放γ射线，射线具有较强的穿透力，且钴的半衰期较长，在较长时间内具有相对稳定的辐射强度，C正确；锶释放β射线，穿透力较弱，较易电离，D错误。 [练6] (科技情境)正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理是：将放射性同位素15O注入人体，参与人体的代谢过程。15O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图像。将放射性同位素15O注入人体，15O的主要用途是(　　) A．利用它的射线 B．作为示踪原子 C．参与人体的代谢过程 D．有氧呼吸 B　解析：将放射性同位素15O注入人体后，由于它能放出正电子，并能与人体内的负电子产生一对光子，从而被探测器探测到，所以它的用途是作为示踪原子。 学科网（北京）股份有限公司 $$